“裂变”教学设计

“裂变”教学设计 浙江宁波市勤州区教研室 何丰明   教材  全日制普通高级中学教科书《物理》第三册（必修加选修）第二十二章第六节。     教学时间  一课时。     教学目标  三个维度的教学目标具体为：     1．知识与技能     了解释放核能的核反应过程；认识什么样的核反应是裂变；了解铀核裂变的规律；粗略了解核电站的工作。     2．过程与方法     统观各类核反应的能量状况，原则考虑释放核能过程的共性，经历理性分析、归纳的思维过程；听取科学家发现铀裂变的史实，获得科学发现的间接经验；对核能利用做可行性分析与论证，体验将科学转化为生产力的过程；领略微观物理学研究的正确方法。     3．情感态度与价值观     让学生体验探究自然界规律的艰辛与喜悦；陶冶崇尚科学，仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫；学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，培养学生判断有关信息是否科学的意识。     教学用具  （1）多媒体课件：文本资料；元素原子核子平均质量随原子序数分布规律动画；铀核裂变的液滴模型动画；链式反应模拟动画；核反应堆、核燃料、核电站、我国第一颗原子弹爆炸时形成的蘑菇云等资料图片动画。     （2）枪式与内爆式原子弹纸介质挂图。     设计理念  本课教材简洁地介绍了核能利用从理论到实践的主要线索。在知识内容上，教材分三节讲述了什么样的核反应可以释放核能；裂变的特点；核能的和平利用──核电站。在知识陈述的同时，知识的“背景”中蕴含着十分丰富的教学拓展点，可以开展物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识及人文精神的教育。基于教材知识点浅显直白，而知识“背景”丰厚、人文，本案设计“以人为本”，突出展示人类开发核能的过程、思路、方法，在让学生学习核裂变基本知识的同时，感受物理与科技和人文的浸润和谐，体现物理教育在个性品质、好奇求知、质疑创新、科学美及责任心等方面的价值导向。     本课总体设计思想是：课堂教学以核能开发历程为线索，从原则性与可行性出发，理性分析释放核能的过程应具备的特点，以史实为据，介绍裂变的发现历程，从反应堆实际运用──反应堆为载体，渗透科学转化为生产力的思想，课堂上借助多媒体课件播放及教师解说，着力于撼动青年学生崇尚科学的情感。     教学过程     （引入）通过前面的学习，同学们了解到原子核发生变化时，有些会放出核能。例如在天然衰变中：（幻灯显示）     。     。     请同学分析通过上述天然衰变获得核能的可行性后归纳：     （幻灯显示）天然衰变反应速度慢，放出功率小，无法控制：实际运用不可行。     又如在人工转变中：（幻灯显示）     ，     。     请同学分析通过上述人工转变获得核能的可行性后归纳：     （幻灯显示）人工转变发生反应机会少，加速轰击粒子要耗能，实际运用不可行。     （设问）请同学从原则上与可行性上考虑，什么样的核反应过程可以释放核能？     1．从原则上考虑──分析释放核能的核反应过程的必备条件     （教师讲）从原则性上考虑，根据爱因斯坦的质能方程，在核反应过程中若有质量亏损，将伴随有能量的释放。那么什么样的核反应过程有质量亏损呢？我们知道，核反应过程中，核子数（即质量数）是守恒的，如果核反应过程中有质量亏损，则“反应物”核子的平均质量一定大于“生成物”核子的平均质量。统观各种元素原子核，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数），具有如图1所示规律（动画显示），随着原子序数的增大，核子平均质量的变化不是单调的，56号元素铁的原子核中核子的平均质量最小。显然按这样两种方向进行的核反应，均有质量亏损：一种是原子序数较大的重核分裂成原子序数较小的中等质量核；一种是由原子序数很小的轻核结合成原子序数大些的核。（动画显示）若将图1中的重核A分裂成原子序数小些的核B、C，该反应中有质量亏损，可释放出能量；若实现将轻核D、E聚合成原子序数大些核F的核反应，该反应中有质量亏损，可释放出能量。       这节课，我们先来了解前一种核能释放途径。这条原子能应用途径的开拓者是德国化学家哈恩，他和他的助手于1939年发现了铀核的裂变。     2．介绍铀核的裂变及其发现过程     （教师讲）随着中子的发现，轰开原子核有了理想的“炮弹”，但是中子不能由天然放射性物质自发产生，只能通过原子核人工转变而获得，为了能得到更多的中子，物理学家做了无数个实验，轰击所有当时已知的各种元素的原子核，诸多科学家通过旷日持久地艰难求索而发现，从氟到92号元素铀都可实现人工转变，通过原子核人工转变可以生成各种人工放射性元素，对许多元素用慢中子比用快中了更为有效……最终导致了震惊世界的原子核裂变。     1937年，约里奥·居里夫妇在用粒子做“炮弹”轰击铀核的实验中，产生了半衰期为3．5h的放射性元素，它居然是57号元素镧，粒子轰击铀怎么会产生一个在周期表上离铀35位的元素呢？约里奥·居里夫妇与核裂变相见不相识，第三次错失重大发现。同一时代的德国化学家哈恩也不相信小居里夫妇的实验结果，他与奥地利女物理学家迈特纳合作，尝试用中子轰击铀核来得到一个原子序数比铀更大的新元素，他们用尽各种办法未果。到了灾难深重的1938年，身为犹太人的迈特纳从德国逃亡到斯德哥尔摩，而哈恩和他的同事们在柏林郊区一个僻静的实验室里继续不懈地用中子轰击铀，当采用慢中子轰击铀核时，事情有了重大转机：反应不仅迅速激烈，释放出很高的能量，而且出现了异乎寻常的情况──铀核被击中后，竟分裂出原子序数小得多的钡!本来想揭示居里实验中的错误，反而得到了相似的结果。哈恩把实验结果寄给了治学严谨的长期合作者迈特纳，迈特纳坚信实验的结果，她决意要对比做出科学的解释。在圣诞节前夕的长途滑雪越野途中，玻尔曾经提出的原子液滴模型跃入她的脑际，她心中显现出一幅图像：往原子核里挤进一个中子，使这个核产生振荡而变形，电斥力把原子核的两端推开，形成两个较小的核，原子核就像一滴水滴，被拉长了而且被一分为二。两个比原来小的原子核中的一个可能是钡或镧。1939年1月，借助于生物学中细胞分裂的概念，迈特纳将哈恩实验中的核变化称做核裂变，迈特纳根据液滴模型算出，被电斥力推开的“裂变碎片”所带的能量约是，她又将爱因斯坦的质能方程。应用于哈恩实验中得到的数据──铀核与碎片之间的质量差约为一个质子质量的，乘以，得到大约，两个结果一致!裂变假说得到了坚实的证据。       （动画显示）铀核的分裂过程，如图2所示。     （动画显示与教师讲解）重核分裂成中等质量的核而放出核能的反应，称为裂变。     （动画显示）两种可能的铀核裂变方程是     ，     。     （设问）铀核裂变确实能释放出巨大的核能，那么使铀核实现持续的裂变是否可行呢？     3．从可行性考虑──介绍核裂变的链式反应     （教师讲解）发现核裂变的消息一发布，费米等物理学家立即想到由于裂变产生单个的中子，这些中子又会使别的核裂变，形成链式反应，随着大量铀核发生裂变，中子数目成几何级数地增长，几千克铀在几微秒内裂变尽，这是多么大的能量释放啊!有一次，费米站在他的办公室的窗旁，俯瞰着纽约市喧闹的街道，他把手指弯成杯状──好像拿着一个橙子似的，沉思道：“这么大的一个炸弹，一切就消失了。”       （动画显示）链式反应如图3所示。     （教师讲解）在一次铀核裂变中可放出2～3个中子，这些中子被称做第一代中子。如果能使这些中子（至少有一个）继续轰击铀核，使之发生裂变，继而又产生第二代中子，这样不断继续下去，中子数会不断增加，可能实现原子核的链式反应。通过链式反应，实现核能的充分释放。     要实现链式反应必须有两个条件，其一是反应物，自然界中能发生链式反应的天然原料。     只有一种即铀235。天然铀中铀235很少，每140个铀原子中只有一个是，其余都是，而只能吸收中子变成放射性同位素。实现链式反应的第二个条件是的体积要达到一定大小，即达到临界体积，使中子有足够的空间机会击中铀核。由于与是同一元素的两种同位素，无法用化学方法进行分离，故欲提取一个临界体积的纯并非易事。1940年，科学家制造出了94号新元素Pu，这种非天然元素与一样，受到一个中子撞击时容易发生裂变，而且这种新元素可以用化学方法从生产它的铀中分离出来。     （动画显示）人工元素钚的产生：     。     。     从核能应用的可行性考虑，应当做到投人小、产出大，可以连续进行，有足够的原料。铀和钚裂变的发现，使人类进入了核时代。     4．介绍核弹（原子弹）     （挂图显示）枪式与内爆式原子弹原理。     （幻灯显示）1964年10月16日15时，中国第一颗原子弹成功爆炸时的巨大蘑菇云；“两弹一星”功勋王淦昌。     5．介绍核能的和平利用     （设问）和平利用核能，关键在于控制，若要利用核裂变释放的核能发电，必须控制哪些因素？     （要求回答）原料；反应速度；能量输出。     （请学生阅读教材、思考、分析后概括）     （教师讲解）用来发生裂变的装置叫做核反应堆。我们来了解核反应堆是怎样实现对原料、反应速度与能量输出调控的。     （幻灯显示）科研用反应堆外观、核反应堆厂房外景，反应堆结构示意（如图4所示）。       （设问）反应堆中铀棒就是核原料，它是用浓缩铀（其中铀235占3％-4％）制成的，为什么要用浓缩铀？     （要求回答）天然铀中只有0．7％是铀235，中子轰击到铀235核的几率太低，因此核反应堆里必须用浓缩铀235，并且需要达到一定的体积（即临界体积），以利于中子击中铀核并引发链式反应。     （设问）研究表明，铀235具有易俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点。但裂变时产生的中子速度很大（平均能量为2MeV），不容易被铀235俘获而引起裂变。核反应堆中采取水（）、重水（）或石墨做减速剂使快中子转化为慢中子，其原理是什么？为什么选用水、重水或石墨做减速剂？     （要求回答）视中子与作为减速剂的核发生弹性正碰，碰撞核的质量（一般大于中子质量m）设为M，由于碰撞中动量与动能守恒，一个速度为v的中子，碰后速度大小为，碰撞核与中子质量越接近，碰撞前后中子速度的减少量越接近最大值移，亦即中子慢化效果越好。氢核质量与中子接近，故用水做减速剂慢化效果最好（这里教师可作预案：氢核易吸收中子而成为氘核，有可能使链式反应无法继续；重水不易吸收中子，其慢化效果仅次于水，但重水价格昂贵，一般用于科研；石墨的优点是材料便宜，易组装，但慢化效果不如重水）。     （设问）如前所述，链式反应一旦形成，巨大能量的释放是极其迅猛的，为了较平缓地释放核能，必须控制链式反应的速度，用什么方法可以控制链式反应的速度呢？     （要求回答）可通过调控中子数来控制反应速度，在核反应堆中，用镉材料做成控制棒，当反应过激时，可将控制棒插入反应堆中，吸收过多的中子；当需要加快核反应时，则将控制棒抽出些，从而控制核反应速度。     （幻灯显示）核电站示意图，如图5所示。       （教师讲解）核燃料裂变释放出来的能量大部分转化为热能，使反应区温度升高。水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，保证安全。核反应堆放出的热使水变成水蒸气，推动汽轮发电机发电。     6．讨论、分析核电站的优缺点     （教师讲解）看待一个事物的出现，总要以辩证的观点来分析。核能作为新能源，与常规能源相比，也有它的优缺点。     （幻灯显示）优点是核能的能效高，对环境污染少。     缺点是核电站产生的“废物”具有放射性，其放射线对人和生物是有害的，而且有些裂变产物的半衰期可达几千年，随着地球上的核电站越来越多，核废料的处理将是摆在人类面前的一个重要问题。     点评  本节课的教学设计从“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三个维度着手，对教材的三个部分（什么样的核反应可以释放核能；裂变的特点；核能的和平利用──核电站）以丰富的多媒体课件、详实的资料文字和多元的教学手法，对学生展开物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识及人文精神的教育。完美地展示了人类从揭示核能、研究核能到和平利用核能的发展过程，较好地落实了新课程教学。